用于彩色图像感测的多色敏器件的制作方法

专利名称：用于彩色图像感测的多色敏器件的制作方法
背景技术：
用于成像目的的现有技术的彩色图像探测器，例如用于照相机和摄影机成像系统中的电荷耦合器件，几乎是全部基于无机半导体电子器件例如硅，滤色片应用于所述无机半导体电子器件。
应该注意，尽管“彩色探测”通常与“可见电磁辐射探测”是同义的，但是利用具有相应透射特性的滤光片层，该方法还可用于获取在可见光范围外的电磁辐射的光谱分布(例如紫外、红外或X射线)方面的信息。
这种布置允许限制和控制半导体材料的本征(intrinsic)光响应特性，以生成具有特定光谱响应特性的传感元件。半导体可以被图案化以便在单个衬底上提供许多单独的光电传感器，并且滤色片同样可以被图案化到相同(x-y)维。如果希望用相同的光电传感器衬底感应多种颜色，尤其是捕获彩色图像，通常使滤色片图案化为具有不同滤色片的像素(像点)阵列，所述不同滤色片的像素阵列通常控制透射通过滤光片至邻近光电传感器的光。使用具有在二维阵列中彼此邻接的不同滤色片的像素元件，可以为探测的图像提供彩色信息。利用滤色片的传感器件通常由并行地位于传感器平面上的传感元件组成。利用具有不同灵敏度(通常是3～4)的邻近的像素元件的响应，可以测量给定点的光强度和光的光谱分布。
因此，由于捕获彩色图像需要至少捕获图像的红色、绿色和蓝色元素(element)，因此了解全色信息的一个像素的尺寸(通过面积)至少是相应的光敏元件的尺寸的三倍；或者，换句话说，彩色图像探测器的面积彩色分辨率最多是使用相同光敏探测器阵列的黑白图像可获得的分辨率的三分之一。
在这个方面，我们在本申请中定义像素或像点，即直接测量或传送全彩色信息的区域，并且因此阵列或显示器中像素的数量是测量(并不解析(not interpreted))或传送的清晰的全彩色信息的数量。
虽然这没有考虑子像素间共享的复合信息，但是可以指出的是，依照现有技术，一个像素是上述3～4个单色子像素的阵列。
除了分辨率较小之外，以这样的方法通过探测器面积的分割来产生彩色图像还有其它缺点。特别是滤色片的形成很不容易。必须沉积在典型的1～100微米的分辨率下具有精确的均匀度的滤色片-当像素尺寸减小时这逐渐地变得更困难。另外，彩色像素的规则阵列导致被称为莫尔(Moiré)图案的成像伪像。
当然，如果整体超过临界尺寸，则使用用于探测器的拼贴(tiling)法，理论上对于任何指定的图像分辨率可以简单地按比例增加探测器的尺寸，然后使用合适的成像光学系统，但是对于大多数实际应用来说，这不仅麻烦而且昂贵。传感器阵列的生产成本通常与传感器尺寸几乎呈线性比例。
另外，由美国6′727′521已知，替代性地通过垂直地堆叠传感器即，在z方向，平行于来自待成像的场景的光，以回避不同颜色的像素的(x-y)区域阵列问题。
在美国6′632′701中也已经公开了这样的几何图形(“垂直滤色片探测器组和阵列”)，并由Foveon公司(Santa Clara，美国)以X3 ImageSensors商标制造。在上述器件中，公开了具有嵌入到硅半导体中的堆叠的掺杂的n-和p-层的几何图形，其效果依赖于红、绿和蓝光穿透所述硅半导体不同深度的观测。本领域的技术人员将承认按照美国6,632,701的方案实现红外或紫外探测几乎是不可能的。
发明概述因此，本发明的目的是从生产成本、图像质量和/或分色以及图像信号处理方面改改进根据权利要求1的前序部分的半导体图象探测器。
利用具有符合权利要求1的特有特征的半导体图像探测器实现了上述目的。
描述了一种新型的彩色图像传感器，其中用相同的(x-y)空间坐标感测不同的颜色。这通过使用传感器叠层(stack)实现，其中每个所述传感器对一种颜色敏感而对其它颜色透明。因此与大多数其它已知的现有器件相比，这允许产生由这种传感元件组成的器件，以具有高空间分辨率并避免某些感应伪像。与用基于掺杂的常用半导体的其它已知的垂直-堆叠器件相比，染料敏化的、宽带隙半导体的使用允许对器件的感色敏感度更高度的控制，尤其是允许对电磁辐射的窄波段和超出人眼可见范围的电磁辐射敏感。
本发明可以使彩色像素和传感器像素的尺寸相同，对于相等的光电传感器尺寸的器件，导致在面积分辨率上至少三倍的改进(或者对于相当的图像分辨率，导致在传感器阵列尺寸上相应的降低，假设光电传感器元件在尺寸上可以减小；或者按照上述解释，产生在两者之间的任何合适的折衷)。重要的是，通过除去常规的图案化滤色片，还可以除去由制造滤色片带来的许多问题(例如，实现平坦、在空间上匹配传感器阵列、在这种高分辨率下形成无缺陷的图案带来的问题)。也除去了与莫尔图案相关的几乎所有问题。
按照本发明，实现垂直于成像平面堆叠的传感器阵列的这种器件实际上还可以例如通过使用染料敏化的宽带隙半导体层来制造。在这种情况下，使用由不同染料敏化的半导体层，每个所述半导体层将选择一种不同的不显著重叠的特定窄范围波长的光，而保持对所有其它的光透明。染料通常与半导体结合使用，当半导体被染料敏化时其将仅仅对光进行光敏性反应。根据图3，也可以在不同层中具有染料吸收分布并实现分开的和不显著重叠的波长响应。
这种染料和这种半导体从染料敏化太阳能电池领域已知。染料敏化太阳能电池利用合成或天然存在的染料使宽带隙半导体例如二氧化钛对可见光敏感。宽带隙半导体本身通常表现出强粗糙度，导致大比表面积。染料本身提供光谱灵敏度-不需要额外的滤色片来产生具有不同光谱灵敏度的传感器。因此通过使用不同的、(在最后结果中)不显著干扰的光谱敏化剂来实现各个传感器层的不同光谱灵敏度。
在太阳能电池中使用的这种材料是众所周知的，并且在先前的文献中也已经描述了它们在单一光强度探测器中的应用。参见例如WO99/45595光电探测器及其用途、DE 43 06 407探测器、JP 2002/310793高灵敏度光接收元件和图像传感器、JP 2002/359364光学传感器和光学传感器装置。然而，所有这些文献描述了单元(single-element)传感器，或者在JP 2002/359364情况中是一维(1D)线性传感器，并且所有的都是单色或在入射光波长之间未分化(undifferentiating)。
在US 2001/0028026“光电探测器和光探测系统”的优选实施方案八(“二维图像传感器”)中描述了使用具有单层2D阵列的这种系统来检测“黑和白”图像，还是单色的(在可见光谱内的单一的特波段中)，或者在入射光波长之间未分化。
然而，先前没有公开将具有不同的、彼此无竞争的光谱响应的染料敏化宽带隙半导体的不同阵列堆叠以实现彩色图像捕获的概念。
本发明的一个特别的优点是允许在设计和制造中的灵活性。在根据US 6′632′701的器件中，层的顺序必须按照波长递减的彩色顺序固定，因为它依赖于与波长有关的穿透深度；任意一层的波长选择限制其它层的波长选择，不可测量紧密分离的波长，因为关联结构的物理尺寸阻止达到一定的穿透深度；不包括超出人眼可见范围的波长(在具有固定动态范围的单一器件中，可能由于紫外上层太浅而不能构建，对于足够强的信号而言红外层太深而不能被感应)；并且必须将图像从已测量的信号中去卷积，因为器件的上层还测量本应在器件的较低水平处测量的波长的电磁辐射(即，最上面的“蓝色”传感层也将吸收和记录绿光和红光)。
相反，本发明器件没有上述限制。层的顺序不必固定为递减的彩色顺序，即使是希望如此，因为所用的传感技术不依赖于穿透深度因此，例如可以用120种不同的可能的层顺序来构建用于测量红外、红、绿、蓝和紫外信号的五层器件，基于所希望的结果和可能的层的灵敏度来选择最理想的一种；而且，必须注意可使用不同的染料来使得对相同的窄波段具有不同的灵敏度。如果希望，可以精确地感应紧密分隔的波长，因为层本身没有物理性地限制这一点。用合适的染料容易地探测超出人眼可见范围的波长。最后，去卷积比较容易，因为虽然本应由下层测量的波长将由上层吸收一些，但是这可以在很大程度上被避免。还提供在合适的层中正确地感测多种入射辐射，由此提供具有更大的和更精确的灵敏度以及改善的分辨率的器件，其反过来使得重现全真彩色图像更容易，或使得重现可能期望的任何假彩色图像更容易。
单传感元件本身是权利要求1的主题。在权利要求14中主张包含多个传感元件的器件。
传感元件能够感测具有相同(x-y)空间位置的电磁辐射的多个光谱带，尤其是当x-y-z维形成具有平行于入射电磁辐射方向的z的一系列笛卡儿坐标系时。涉及感应具有相同二维空间位置的电磁辐射的多种光谱带，其中这些二维垂直于电磁辐射传播方向并相互垂直。
所述元件由每一个都能感应电磁辐射的不同光谱带的子元件叠层组成，并且这些子元件的每一个都包含非硅半导体，其中在每个子元件中的所述非硅半导体对电磁辐射的不同光谱带敏感和/或已经被敏化从而对电磁辐射的不同光谱带敏感。术语“被敏化从而敏感”必须被认为是包括材料对所述光谱带是固有光敏的，和/或已经用一种或多种下文称为染料的物质处理，以使所述物质与半导体的组合对所述光谱带是光敏的。
按照本发明的一个实施方案，通过在宽带隙半导体内使用染料实现敏化。
按照本发明的一个实施方案，将传感元件定位于阵列中，其不必是规则阵列，例如许多传感器可以以彼此距离不同的方式排列。
按照本发明的另一个实施方案，传感元件可用于图像捕获或用于非图像捕获应用。
当传感元件用作作为用于图像捕获的器件的一部分的一维或二维阵列或三维阵列的一部分时，其中图像捕获可以直接进行，这涉及一个瞬间或在一段时间内以任何方式的积累(built up)，例如但不限于扫描。这种传感元件可以是单传感元件。
按照一个实施方案，一个光谱带在人眼可见范围内，而在另一个实施方案中，光谱带不在人眼可见范围内。
优选的实施方案使用全彩色人眼可见范围。
另一个实施方案使用规则的2D阵列，即直接图像捕获。这种阵列不必是平面的。
另一个实施方案使用规则的1D阵列和扫描技术，即“间接”图像捕获。这种阵列不必是线性的。
按照另一个实施方案，使用0D阵列和扫描技术，即非常间接的捕获，例如一种类型的单元件、扫描，作为这种阵列的阵列的一部分。可以提供第一传感器(高IR、低IR)、邻接的第二传感器(R、G、B)以及邻接的第三传感器(高UV、低UV)，全扫描，其中在计算中进行匹配。
按照一个实施方案，子元件叠层是平行的，其中在其它实施方案中叠层是不平行于前面的表面的，即倾斜的、环形的、球形的，包括半球形或圆柱形或抛物线几何形状等。
附图简述现在将通过下列根据本发明的实施方案的说明并参照附图描述本发明，其中

图1表示根据本发明的传感器的横截面示意图，表明层和接触的几何形状；图2表示根据本发明的具有3个根据图1传感器的器件的横截面示意图；图3表示基于波长的三种染料的吸收的图例；图4是根据本发明一个实施方案的遵照图1或图2的传感器的信号响应；图5是根据现有技术或以非优选的方式堆叠的堆叠传感器的信号响应；图6是用部花青染料Sc1、Sc2和Sc3染色的中孔二氧化钛膜的吸收光谱。
图7是如图6所示染料敏化的TiO2膜组装的单个光电化学单元的归一化光谱响应(IPCE)；图8是图6和图7的单元的光谱响应；和图9是所述单元集成的叠层。
优选实施方案的详细描述彩色感测图像器件包含多个传感器1。一种这样的传感器如图1所示，其横截面示意图表示层和接触的几何形状。每个传感器1代表一个像素。
彩色感测图像器件优选由像素的二维阵列组成，每个像素优选是相同的，并由在衬底2上的许多相似的但不同的层组成，如图1所示(层3、4、5、6、7和8)。所述衬底2还支撑散布于像素1中的各种元件9。衬底2和元件9是电连接11和/或有源电子元件嵌入到其中以允许上层3～8寻址的结构。这些有源电子元件包含本领域技术人员已知的电荷耦合器件的电子元件。为了简单起见，不再进一步解释这些连接和元件。
将两层或多层光敏层或光活化层(层3、5、7)沉积到衬底2上，并且通过交替地沉积到光敏层或光活化层的绝缘层4和6而分开。这些光敏层或光活化层3、5和7包含导电或半导电材料，其中当通过电磁辐射激发时产生电荷。辐射或者通过半导电或导电材料自身吸收或者优选被敏化剂吸收，所述敏化剂使半导电或导电材料中产生的电荷敏化。由于使用不同的敏化剂或不同的半导电或导电材料，所以不同的层对电磁辐射表现出不同的光谱灵敏度。在上下文中措辞“对电磁辐射的窄波段敏感”意味着所述材料只能吸收来自部分现有光谱的光。必须注意下层3的窄灵敏性的概念还可以包含并延伸到已经由另外的上层例如5或7覆盖的波长部分，因为来自所述部分光谱的光在进入所述下层例如3或5之前已经被吸收。
优选的是，光敏层或光活化层3、5和7每一个均由具有平均孔尺寸为2～500nm的多孔无机半导体组成。所述层还可以包含能够传输电荷的第二介质。导体/半导体和介质优选形成相互穿插的网络。所述介质优选为半导体、有机电荷传输材料或固体或液体电解质。
通过绝缘层(层4和6)将光活化层分开。这些绝缘体优选为具有平均孔尺寸为2～1000nm的多孔绝缘体并可以包含上述用于层3、5和7的相同介质。
元件9是位于层3～7或所示的8的一边上或围绕层3～7或所示的8的绝缘体。元件9包容光活化层和衬底2之间的电连接11、12。因此每个光敏层3、5和7可以通过电子元件或衬底2的导电引线11、12寻址。因此与介质的电接触通过介质和衬底2中的电连接的直接接触或者通过元件9而提供，和/或另外的层8可以沉积到最上面的感光层上，其提供与介质的电接触，假设所述层的构成或设计不阻碍电磁辐射进入光敏层。
所有的层都可以包含附加的吸收电磁辐射的材料。这些材料优选为滤光材料。
如上所述，将几个如图1描述的像素1并行组装将产生一维或二维阵列(参见具有三个像素20、21和22的图2)-优选这些像素形成2-维阵列，然后所述2-维阵列可用于成像目的。它们可以在共衬底2上形成。
本发明例如可以用于二维实施方案中以直接捕获图像，如在电荷耦合器件中或在一维实施方案中、优选线性阵列中来扫描图像，如在彩色复印机中。
在另一个实施方案中，探测器1包含子元件叠层，该子元件叠层平行堆叠或倾向于入射电磁辐射的方向，所述电磁辐射被定向，在图1或2中被定向垂直于像素探测器1、20、21或22的前表面8。
可以生产垂直于入射光的主方向的如层3、4、5、6、7和8的元件叠层。但是，也可以制造具有横向阶梯函数(lateral step-function)的层，即，入射角不垂直于层8的表面而是倾斜的和成角的。层4和6绝缘和/或使优选的透明电极与像素和器件的控制单元连接作为整体。
图3、4和5表示使用的染料在根据图3的不同层中吸收的分布和所得波长响应的两个实施方案。图3表示基于波长40的三种染料的吸收30的图例；图4是表示根据本发明一个实施方案的遵照图1或图2的传感器的信号响应的信号41对波长40的图；以及图5表示根据现有技术或以非优选的方式堆叠的堆叠传感器的信号响应的信号42。
附图标记31、32和33表示三种不同染料的吸收曲线；从左到右为蓝色染料、绿色染料和红色染料。染料的名称与它们吸收的主彩色分量有关。可以看出吸收曲线31、32和33部分重叠。
在根据权利要求1和2的器件的实施方案中，不同光敏层3、5和7的序列分别包含红色、绿色和蓝色染料。具有吸收曲线31、32和33的所述染料分别对透射的光有下列影响。最上面的具有吸收曲线31的蓝色染料层7吸收来自所述波长范围的光，结果得到如图4所示的信号响应51。未被吸收的光，即具有较长波长(绿和红)的光，穿过层6并进入层5。具有吸收曲线32的被称为绿色染料层5吸收来自所述波长范围的光，结果得到如图4所示的信号响应52。未被吸收的光，即具有更长波长(在此红和红外)的光，穿过层4并进入层3。具有吸收曲线33的被称为红色染料层3吸收来自所述波长范围的光，结果得到如图4所示的信号响应53。通过三种信号响应51、52和53的比较可以看出，得到不显著的重叠并且三种彩色信号主体上被分开。利用美国6′632′701的器件无法获得这个结果。
现在图5表示另一个实施方案，其中在堆叠的层3、5和7内使用的颜色是相反的，即最上层是具有吸收曲线33的红色层，接着是具有吸收曲线32的绿色层，最后底层是具有吸收曲线31的蓝色层。那么不同层的信号应答分别是63、62和61。
对于所选波长范围内选择的所有窄波段，本领域技术人员已知的合适的光敏或光活化材料或染料的选择和顺序允许非常高的波长灵敏度同时具有非常高的分辨率。也可以使用量子点。量子点是包含自由电子微滴的小器件。它们在半导体材料中被产生并通常具有在纳米到几微米之间的尺寸。可以但不限于通过窄带隙半导体的薄层或将所述窄带隙半导体的颗粒沉积到层厚或平均粒径分别通常为1～400nm的宽带隙半导体上，实现这种敏化。
组装基于不同部花青敏化剂的染料敏化单元的实施方案。测量各个单元以及在单元叠层内的单元的各个光谱光电流响应。结果表明用染料敏化的光电器件来感测光的彩色分布而不需要任何额外滤色片是可行的。
根据M.K.Nazeeruddin等，J.Am.Chem.Soc.115(1993)6382将二氧化钛的薄(3～4.5微米)中孔膜沉积到导电玻璃衬底上。平均TiO2粒径是18nm。将如此制得的膜在450℃下烧结20分钟。每个像素的几何表面积是0.28cm2。对于一些例子，通过在L.Kavan，M.Graetzel，Electrochimica Acta 40(1995)643中描述的喷雾热解法，在纳米结构的TiO2电极沉积之前，将致密TiO2层(参见下文关于使用这种附加层的优点的说明)沉积到导电玻璃衬底上。可以按参该考文献描述选择致密锡(tin)层的厚度。
在室温下将制得的膜浸入下述的不同部花青染料的醇溶液(0.5mg/ml)48小时。用乙醇漂洗被染色的TiO2电极并在空气中干燥。按照N.Papageorgiou，W.F.Maier，M.Graetzel，J.Electrochem Soc.144(1997)876，制备由导电玻璃和铂薄层组成的透明的对电极。按照P.Wang等，Nature Materials 2(2003)402组装封闭的光电化学单元。所用的电解质包含有机溶剂、0.5摩尔/升的碘化锂和0.02摩尔/升的碘。用计算机校准装置测量光谱响应(IPCE)，所述装置包含氙灯、单色仪、Keithley数字源表和校准的硅光电二极管。在单色光照明下入射光子向电子的转换率(IPCE)对应于入射光子与在短路条件下在光电器件的外电路中收集的电子之比。
部花青Sc1 部花青Sc2 部花青Sc3
试验给出如下结果。图6表示用部花青染料Sc1、Sc2和Sc3染色的中孔二氧化钛膜的吸收光谱。将电极沉积到导电玻璃上(氟掺杂的二氧化锡(IV))，暴露于三种不同的部花青染料的醇溶液24小时。三种膜在416nm(Sc1)、509nm(Sc2)和548nm(Sc3)表现出明显不同的最大吸收。即使用3微米厚的TiO2膜，被染色的膜显示大约为2的最大吸收。这相当于1％的光透射值。
图7表示如图6所示的由染料敏化的TiO2膜组装的各个光电化学单元的归一化光谱响应(IPCE)。光谱响应通常遵循吸收光谱的形状，光谱响应的最大值对应于吸收光谱中的明显的最大值。图8表示集成为图9所示的叠层的相同单元的光谱响应。三个单元的附图标记是30、31和32。它们分别包含分别具有染料Sc1、Sc2和Sc3的中孔芯40、41和42。用箭头50、51和52分别表示不同波长的穿透深度。每个单元30、31和32具有两个带有电接触61的导电玻璃衬底60。将包含芯40、41和42的所述染料分别安装到一个单元30、31和32的两个玻璃衬底60之间的一个玻璃衬底60上。这样的叠层是具有三种几乎相同的单元的实施方案的一个例子，除了芯40、41和42分别不同的浸渍有染料Sc1、Sc2和Sc3之外。
最上面的单元30(具有Sc1)的归一化光谱响应不受下面的叠层影响。由于Sc1单元30的滤光片层，单元31(具有Sc2)的标准化光谱响应变化-尤其是在400～500nm区域，其中通过在上面的Sc1单元30，归一化光谱响应从高于30％降到低于10％。在叠层中的第三单元32极大地受到集成叠层的影响。由于顶层的滤光效应，在叠层内的Sc3单元33的光谱响应明显地变化。用大约175nm的半宽代替宽IPCE光谱，在大约560nm处的最大灵敏度波长的峰变为640nm，并且半宽大约为50nm。由于上层的滤光作用，波长低于600nm的归一化光谱响应降到＜10％。因此，单元30、31和32的叠层对三种不同的波长范围是敏感的400～475nm；475～620nm和620～700nm。
所用的染料是例如但不限于花青、部花青、酞菁、紫菜碱(porphyrine)、香豆素(coumarine)、方酸和/或吲哚啉染料和/或钌多吡啶配合物。使用未敏化的TiO2可以组装感应UV的探测器，因为它在大约400nm时开始吸收光。钌染料敏化的光电探测器可以探测至多到900nm波长的NIR光。紫菜碱锌(zinc porphyrine)染料在蓝色和在500～650nm波谱范围中的三种适度过渡(moderate transition)中表现强吸收。钌N749，被称为黑染料，在整个可见光谱具有宽吸收，具有延伸到近红外的尾部吸收。可以考虑将具有光散射粒子的这种染料的较厚膜用于在光电传感器叠层中的底部单元。
本发明允许构建纳米晶体半导体电极。用于传感器的优选材料是p型材料、氧化还原电解质和有机电荷传输物质。
除了如1和2所示的实施方案之外，还可以在纳米结构TiO2膜和导电的氟掺杂的二氧化锡膜之间提供所述致密TiO2层。当将所述致密TiO2层引入纳米结构TiO2膜例如层40、41和42以及导电的氟掺杂的二氧化锡膜(FTO)例如包含并由这种FTO膜覆盖的玻璃电极60之间时，发现IPCE急剧增加。注入效率(injection efficiency)加倍。致密二氧化锡层阻碍电解质或染料与下面的FTO(和)衬底直接接触并因此减少了在没有致密TiO2层的器件中存在的再结合现象。此外，可以在例如0.4V反偏压下利用具有致密二氧化锡层的这种单元来工作。那么这种单元的响应不仅在0～40％白光强度范围内改善而且在50％以上的光强度下也得到改善。
可以通过敏化的TiO2层厚度来调整光响应。优选顶部堆叠元件表现出滤光作用，即这些层的厚度较大。利用通常在0.5～15微米之间的膜厚(同样适用于致密二氧化锡层，虽然薄的厚度通常是足够的)，已经发现上层的厚度从2微米增加到7微米使得吸收从85％增加到90％甚至超过99％，因此避免较深层的可能的干扰。实际的令人感兴趣的厚度极大地依赖于所用的染料。
权利要求
1.一种能够感测具有相同二维空间位置的电磁辐射的多个光谱带的传感元件(1，20，21，22)，其中这些二维垂直于电磁辐射传播方向并彼此垂直，其特征在于所述元件由子元件(3，5，7)叠层组成，所述子元件的每一个都能感测电磁辐射的不同光谱带，其特征还在于这些子元件(3，5，7)的每一个都包含一个或多个宽带隙无机半导体，其中在每个子元件(3，5，7)中的所述一个或多个宽带隙无机半导体对电磁辐射的不同光谱带是固有光敏的和/或已经用一种或多种下文称为染料的物质处理，以使所述物质与所述半导体的组合对电磁辐射的不同光谱带光敏所述传感元件还包含用于传导光电流的适当电极，所述电极可以形成层，所述电极还可以与渗透所述无机半导体的电解质一起使用。
2.根据权利要求1的传感元件，其中没有单独的电解质层。
3.根据权利要求1或2的传感元件，其中通过使用大小典型地为1～100纳米的有机和/或无机结构，例如染料和/或量子点和/或电子隧穿实体，实现所述半导体的所述光谱带敏化，所述结构允许直接和/或间接捕获入射的电磁辐射并且还可以赋予或可以不赋予级联效应。
4.根据权利要求1-3的传感元件，用作这种元件的一维或二维阵列或三维阵列的一部分。
5.根据权利要求1-4中一项的传感元件，用作一维或二维阵列或三维阵列的一部分，所述一维或二维阵列或三维阵列作为用于图像捕获的器件的一部分。
6.根据权利要求1-5中一项的传感元件，用作一维或二维阵列或三维阵列的一部分，所述一维或二维阵列或三维阵列作为用于图像捕获的器件的一部分，其中所述图像捕获可以直接进行和/或利用扫描进行。
7.根据权利要求1-6中一项的传感元件，其中至少一个所述电磁辐射的光谱带在人眼可见的范围内和/或至少一个所述电磁辐射的光谱带在人眼可见的范围外或所有所述电磁辐射的光谱带在人眼可见的范围内或所有所述电磁辐射的光谱带在人眼可见的范围外。
8.根据权利要求1-7中一项的传感元件，其中以允许全色图像捕获的方式选择在人眼可见的范围内的光谱带。
9.根据权利要求1-8中一项的传感元件，其中以允许多波长图像捕获的方式选择在人眼可见的范围外的电磁辐射光谱带。
10.根据权利要求1-9中一项的传感元件，用作规则和/或不规则阵列的一部分。
11.根据权利要求1-10中一项的传感元件，用作线性或非线性，或平面或非平面，或柱面，或球面，或抛物线，或抛物面，或其它几何构造阵列的一部分。
12.根据权利要求1-11中一项的传感元件，用作用于直接和/或利用扫描的图像捕获的规则的、二维平面阵列的一部分。
13.根据权利要求1-12中一项的传感元件，用作用于直接和/或利用扫描的图像捕获的规则的、一维线性阵列的一部分。
14.根据权利要求1-13中一项的单传感元件，用作用于直接和/或利用扫描的图像捕获的一维或二维阵列或三维阵列的一部分。
15.根据权利要求1-14中一项的传感元件，其中所述元件由子元件(3，5，7)叠层组成，其中堆叠方向平行于所述入射电磁辐射方向和/或倾斜地倾向于所述入射电磁辐射方向。
16.根据权利要求1-15中一项的传感元件或子元件，其中使用的半导体是二氧化钛。
17.根据权利要求1-16中一项的传感元件或子元件，其中使用的所述染料是例如但不限于花青、部花青、酞菁、紫菜碱、香豆素、方酸和/或吲哚啉染料和/或钌多吡啶配合物，和/或源于所述染料的类似的实体，例如但不限于其盐及其聚合衍生物。
18.根据权利要求1-17中一项的传感元件或子元件，其中所述电极是纳米晶体半导体电极。
19.根据权利要求1-18中一项的传感元件或子元件，其中在与所述电极和所述光谱带敏化的半导体材料接触的每个子元件中提供电解质(63)，所述电解质优选氧化还原电解质或有机电荷传输物质。
20.根据权利要求1-19中一项的传感元件或子元件，其中在所述电极(60)和所述半导体(40，41，42)之间提供附加的氧化锡，尤其是所述电极是氟掺杂的氧化锡膜。
21.根据权利要求20的传感元件或子元件，其中它能够在反偏压下工作。
22.一种器件，结合有根据权利要求1-21中一项的至少一个传感元件并且用于捕获图像，其中捕获的部分或全部波长落在人眼可见电磁辐射光谱内。
23.一种器件，结合有根据权利要求1-21中一项的至少一个传感元件并且用于捕获图像，其中捕获的部分或全部波长落在人眼可见电磁辐射光谱外。
24.权利要求22或23的器件，其中随着渐增的深度，由每个子元件(3，5 7)从电磁辐射撞击所述器件捕获的波长的顺序与以下情形相关或不必相关所述渐减的波长对应于渐增的深度。
25.根据权利要求22-24中一项的器件，其中适当染料的选择和顺序允许很高的波长灵敏度，其中可以识别相差1nm的波长同时具有很高的分辨率，其中可以识别相差一个波长的电磁辐射的空间位置，条件是为所选择的波长范围内选择的所有波段提供适当设计的结构，例如但不限于电极结构。
26.根据权利要求22-24中一项的器件，其中适当染料的选择和顺序允许容易的重现真全彩色图像或可能希望的任何假彩色图像。
全文摘要
一种能够感测具有相同(x－y)空间位置的电磁辐射的多个光谱带的传感元件(1，20，21，22)，尤其是当x－y－z维形成具有平行于列入射电磁辐射方向的z的一系笛卡儿坐标系时，其特征在于所述元件由每个都能感应电磁辐射的不同光谱带的子元件(3，5，7)叠层组成。这些子元件(3，5，7)每个都包含非硅半导体，其中在每个子元件(3，5，7)中的所述非硅半导体对电磁辐射的不同光谱带敏感和/或已经被敏化以从而对电磁辐射的不同光谱带敏感。
文档编号H01L27/146GK101069287SQ200580041482
公开日2007年11月7日 申请日期2005年12月5日 优先权日2004年12月3日
发明者迈克·格雷塞尔, 戈登·埃杰, 理查德·约翰·阿特利, 乌多·巴克 申请人:易特斯股份公司